CC BY
68
УДК 550.374+550.387
ВЛИЯНИЕ РАЗЛОМНОЙ ТЕКТОНИКИ НА СТРУКТУРУ ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В КОЛЬСКОМ ЗАЛИВЕ Е.Д. Терещенко1, В.Ф. Григорьев1, П.Е. Терещенко1,2, Р.Ю. Юрик1
1ПГИ КНЦ РАН 2СПб ИЗМИРАН
Аннотация
Представлены результаты одновременных исследований электромагнитных шумов на дне Кольского залива и на острове вблизи точки погружения аппаратуры, а также в обсерватории, расположенной на значительном расстоянии от места измерения в заливе. Описана аппаратура, использованная в эксперименте: модернизированная приемная аппаратура морского приемно-передающего комплекса, мобильный и стационарный измерители электромагнитного поля. Показано влияние разломной тектоники на структуру естественного магнитного поля, приводящее к усилению его вертикальной составляющей в заливе.
Ключевые слова:
Кольский залив, разломная тектоника, естественное магнитное поле, измерители магнитного поля.
Введение
Морские электромагнитные исследования являются одной из важных составляющих частей морской геофизики. Проведение таких работ на больших неизученных пространствах, составляющих 70.8% поверхности Земного шара, представляет большой научный интерес как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах. Серьезное значение придается исследованиям пространственно-временных характеристик электромагнитного поля в море, как одного из геофизических полей.
Подобные исследования позволяют проводить изучение глубинного геоэлектрического строения морского дна (геоэлектромагнитное зондирование) с целью выяснения строения и динамики океанической литосферы и верхней мантии, а также поиска полезных ископаемых. Это становится чрезвычайно актуальным в связи с возрастающими потребностями в различных видах
минерального и углеводородного сырья и быстрым истощением его запасов на континентах. Изучение глубинного распределения электропроводности в море дает ценную, а иногда и уникальную информацию о состоянии недр, недоступную другим геофизическим методам.
Несмотря на очевидную актуальность морских электромагнитных исследований и их большую теоретическую проработку, экспериментальных работ на акваториях морей и океанов за прошедшее время проведено мало. Основные причины такого положения - естественные технологические трудности, связанные со специфическими условиями и высокой стоимостью исследований.
В связи с этим проведение новых морских экспериментов и создание современных измерителей электромагнитных полей позволит решить ряд важных фундаментальных и прикладных задач, стоящих перед практикой.
Описание эксперимента
Для отработки методов измерения естественных электромагнитных полей на морском дне и интерпретации полученных данных выбран район Кольского залива, т.к. его геологогеофизическая структура хорошо известна.
Кольский залив расположен на побережье Баренцева моря, которое представляет собой возвышенную, расчлененную денудационную равнину высотой 150-200 м, повышающуюся к югу и круто обрывающуюся к северу. По геоморфологической классификации этот участок Мурманского побережья относится к типу фиордовых берегов [1]. Фиорды представляют собой узкие длинные и глубокие заливы со скалистыми берегами и крутыми подводными склонами.
Кольский залив - это вытянутая субмеридиональная тектоническая структура, для очертаний которой характерны коленчатые изгибы, обусловленные участием в ее строении и формировании разломов северо-северо-западного и северо-восточного простирания. В геологическом отношении Кольский фиорд наложен на 2 крупных тектонических блока -северный представлен архейскими гранитоидами, южный - слюдяными и гранатовыми гнейсами. Древние породы перекрыты четвертичными отложениями, представленными фациями наиболее молодой верхневалдайской морены.
Для исследования влияния разломной тектоники на структуру естественного электромагнитного поля в Кольском заливе в сентябре 2012 г. был проведен эксперимент по одновременной регистрации поля в ряде точек измерений на Кольском п-ове и в заливе.
Первая точка измерений была выбрана на дне среднего колена Кольского залива (точка 1 на рис. 1). Регистрация естественного магнитного поля производилась приемной аппаратурой морского приемно-передающего комплекса на глубине 30 метров.
Для выделения эффектов, связанных с погружением регистрирующей аппаратуры в воду, на удалении около 300 м от первой точки измерения (точка 2 на рис. 1) был установлен переносной трехкомпонентный магнитометр.
Третья точка размещалась на радиофизическом полигоне ПГИ КНЦ РАН «Верхнетуломский» вдали от неоднородных областей, формирующих поле в заливе и его окрестностях. Регистрация естественного магнитного поля производилась стационарным измерителем электромагнитного поля.
Выбор такой схемы эксперимента позволяет провести сравнительный анализ естественных магнитных полей на земной поверхности и на дне залива, чтобы учесть влияние малых и крупных неоднородностей среды, на основе которого будут проведены исследования влияния разломной тектоники на структуру естественного электромагнитного поля в Кольском заливе.
Для измерений электромагнитного поля экстремально низкочастотного диапазона (0.01 Гц ... 200 Г ц) на морском дне в институте была модернизирована приемная аппаратура морского приемно-передающего комплекса [2], для измерений поля на земле применялись стационарный и мобильный [3] измерители, разработанные и изготовленные в институте.
Приемная аппаратура морского приемно-передающего комплекса предназначена для измерения амплитуд и фаз электромагнитного поля в диапазоне от 0.01 Гц до 200 Гц в заданных точках морского дна на глубине до 500 м.
Баренцево море ^ ‘~'*D • Североморск
Мурманск
" Верхнетуломский
91
' ■ 88
60 км
1-----1 Белое море
Рис. 1. Расположение точек измерений. Слева - район измерений, А - район морских измерений.
Справа: 1 - место погружения донного регистратора; 2 - остров, на котором установлен
переносной магнитометр
Аналоговые сигналы от преобразователей и с антенн поступают на 8-канальный 24разрядный аналого-цифровые преобразователи (АЦП), где они преобразуются в цифровой вид и записываются на FLASH память.
Конструктивно приемная аппаратура комплекса представляет собой корпус, на котором закреплены индукционные преобразователи и электрические антенны таким образом, что они образуют 2 ортогональные горизонтальные и вертикальную системы и связаны с электронным блоком через герморазъемы. Для исключения помех от электронного блока на индукционные преобразователи, во время измерений его располагают на расстоянии до 8 м от корпуса.
Бетонный блок, прикрепленный к низу корпуса, служит грузом, опускающим приемник на морское дно, а также обеспечивает устойчивость корпуса аппаратуры к подводным течениям.
По окончании измерений приемная аппаратура поднимается на борт судна и с FLASH памяти считывается информация для дальнейшей обработки.
Так как приемная аппаратура на дне моря занимает произвольное положение, то для пересчета данных в единую систему координат она снабжена модулем позиционирования (азимут, крен, тангаж). Результаты измерений азимута, крена и тангажа регистрируются в едином пакете данных.
Мобильный измеритель электромагнитного поля предназначен для измерения амплитуд и фаз электромагнитного поля в диапазоне от 0.01 до 200 Гц в полевых условиях.
Оцифрованные 24-разрядным АЦП аналоговые сигналы от преобразователей магнитного поля и электрических антенн, привязанные по времени спутниковыми навигационными системами ГЛОНАСС/GPS с точностью не ниже 5 мкс, поступают на систему регистрации и сбора данных.
Мобильный измеритель электромагнитного поля состоит из:
• корпуса, на котором закреплены индукционные преобразователи таким образом, что они образуют ортогональные горизонтальные (2) и вертикальную системы;
• антенны, состоящей из двух симметричных антенн длинной 100 м каждая и четырех малогабаритных малошумящих неполяризованных пористых электродов;
• системы регистрации и сбора данных;
• приемника спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
• ноутбука.
Ориентирование индукционных преобразователей измерителя относительно северного магнитного меридиана производится буссолью.
Стационарный измеритель обеспечивает измерения электромагнитного поля в диапазоне от
0.01 до 200 Гц в стационарных условиях и состоит из:
• трех индукционных преобразователей, два из которых расположены горизонтально и ортогонально, а третий - вертикально. Один из горизонтальных индукционных преобразователей расположен по магнитному меридиану юг - север;
• двух симметричных антенн длиной 200 м каждая и четырех малогабаритных
малошумящих неполяризованных пористых электродов;
• системы регистрации и сбора данных;
• приемника спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС/GPS;
• персонального компьютера.
Для проверки качества работы описанной выше измерительной аппаратуры перед проведением измерений на радиофизическом полигоне ПГИ КНЦ РАН «Верхнетуломский» в одинаковых условиях была выполнена
одновременная тестовая регистрация естественных магнитных полей.
На рис. 2 представлены спектры мощности естественного магнитного поля в двойном логарифмическом масштабе, зарегистрированные
приемной аппаратурой морского приемно-передающего комплекса (зеленый цвет), мобильным измерителем электромагнитного поля (красный цвет) и стационарным измерителем электромагнитного поля (синий цвет).
Сравнительный анализ тестовой регистрации показал, что результаты измерений естественных магнитных полей различной аппаратурой в одинаковых условиях практически идентичны.
Начало проведения эксперимента (19:00 мск 29 сентября 2012 г.) определялось
постановкой приемной аппаратуры морского приемно-передающего комплекса в точку измерения, а окончание - подходом судна к точке измерения для подъема приемной аппаратуры (17:00 мск 30 сентября 2012 г.). Таким образом, регистрация поля в точках измерений проводилась непрерывно в течение 22 часов.
Рис. 2. Спектры мощности компоненты Hx естественного магнитного поля в мкА2/м2Гц. vtul -стационарный магнитометр, mob - мобильный измеритель электромагнитного поля, uwr - морской приемно-передающий комплекс
Результаты измерений
Полученные данные временных рядов амплитуд трех компонент магнитного поля на дне Кольского залива были подвергнуты спектральной обработке методом Уэлча [4]. На трехминутных интервалах использовались прямоугольные окна минутной длины с 50% перекрытием. В результате были получены данные об изменении спектральных плотностей мощности £(/) в течение суток для компонент магнитного поля. Полученные значения спектральной плотностей мощности Бн компоненты магнитного поля Ну отображены на сонограмме, представленной на рис. 3.
Из рисунка следует, что несмотря на значительный уровень промышленных помех на дне Кольского залива, на сонограмме видны характерные естественные поля - первый (приблизительно 8 Гц) и второй (приблизительно 14 Гц) Шумановские резонансы. При этом на
37
отдельных временных участках присутствуют незначительные индустриальные помехи. Поэтому для дальнейшего исследования выбран участок регистрации поля с минимальными промышленными шумами (через 12.5 часов от начала записи длительностью 30 минут).
й Ну
0 2 4 б В 10 12 14 16 18 20 22
Тіше (Ъошз)
Рис. 3. Сонограмма спектральной плотности мощности БНу составляющей Ну естественного магнитного поля на дне Кольского залива за период проведения эксперимента в мкЛ2/м2Гц
На выбранном участке регистрации поля проведено сравнение спектров мощности для компонент магнитного поля, зарегистрированных на дне и острове залива, а также в обсерватории ПГИ КНЦ РАН «Верхнетуломский».
Для этого, используя метод Уэлча на десятиминутных интервалах с минутными окнами с 50% перекрытием, построены спектры мощности для каждой компоненты магнитного поля в диапазоне частот от 0.01 до 90 Гц по результатам регистраций в каждой точке измерения.
На рис. 4 слева направо приведены спектры мощности горизонтальных компонент (Нх, Ну) и вертикальной компоненты (Н2) напряженности магнитного поля. Синим цветом обозначены поля, зарегистрированные на дне залива, красным цветом - на острове залива, и зеленым цветом - на радиофизическом полигоне ПГИ КНЦ РАН «Верхнетуломский».
ткА2/т2Н2 , Эну, ткА2/т2Н2 5нг, ткАг/т2Нк
1&° ю1 т" ю' ю' т'
І Нг I Нг Г, Нг
Рис. 4. Спектры мощности трех компонент естественного магнитного поля в мкЛ2/м2Гц
Анализ спектров мощности горизонтальных компонент напряженности магнитного поля показал, что в диапазоне частот от 0.01 Гц до 10 Гц наблюдается хорошее совпадение зарегистрированных полей в трех точках измерения, что говорит о высокой пространственной корреляции ионосферно-магнитосферных шумов. На высоких частотах (более 80 герц) наблюдается расхождение горизонтальных компонент напряженности поля на дне залива и на поверхности земли. При этом мощность шумов на дне залива меньше. чем на поверхности, что обусловлено затуханием поля в морской воде.
С другой стороны, для спектров вертикальных компонент напряженности магнитного поля имеется значительное превышение их значений, как на дне залива, так и на острове, по сравнению с радиофизическим полигоном ПГИ КНЦ РАН «Верхнетуломский».
В выполненной ранее работе по электромагнитному зондированию Кольского полуострова мощным крайне низкочастотным источником излучения [5] было показано, что основную роль в формировании аномально высокой вертикальной компоненты искусственного магнитного поля играет разломная тектоника. По всей видимости, усиление вертикальной компоненты естественного магнитного поля на дне залива и на острове также обусловлены наличием и влиянием разломов на дне и в окрестности залива.
Заключение
В результате выполненных измерений электромагнитных шумов обнаружено усиление их вертикальной компоненты, определяющееся влиянием проводящих разломов в точке наблюдения. При этом приемная аппаратура, использованная в подводных исследованиях, показала свою эффективность и соответствие современным образцам наземных измерителей. Это открывает возможность ее использования в различного рода исследованиях, в том числе и для решения задач магнитотеллурического зондирования при размещении аппаратуры на дне моря.
Авторы выражают свою благодарность А.Н. Миличенко, Ф.С. Полякову за помощь в проведении морских экспериментальных работ.
1. Берега / П.А. Каплин, О.К. Леонтьев, С.А. Лукьянова, Л.Г. Никифоров. М.: Мысль, 1991. 480 с. 2. Морской приемно-передающий комплекс электромагнитного зондирования / Е.Д. Терещенко, В.Ф. Григорьев, П.Е. Терещенко, А.Н. Миличенко // Инновационные электромагнитные методы геофизики: сборник статей под ред. акад. Е.П. Велихова. М.: Научный мир, 2012. С. 51-73. 3. Использование мощных стационарных источников экстремально низкочастотного электромагнитного поля в задаче дистанционного зондирования / Е.П. Велихов, Е.Д. Терещенко, М.С. Жданов, Ю.Г. Щорс, Т.А. Багиров, В.Ф. Григорьев, А.Е. Сидоренко, А.Н. Миличенко // Инновационные электромагнитные методы геофизики / под ред. Е.П. Велихова. М.: Научный мир, 2009. С. 10-21. 4. Harris F.J. On the Use of Windows for Harmonic Analysis with the Discrete Fourier Transform // Proceedings of the IEEE. Vol. 66, P. 51-83 (January 1978). 5. Электромагнитное зондирование Кольского полуострова мощным крайне низкочастотным источником / Е.П. Велихов, В.Ф. Григорьев, М.С. Жданов, С.М. Коротаев, М.С. Кругляков, Д.А. Орехова, И.В. Попова, Терещенко Е.Д., Щорс Ю.Г.// Докл. академии наук. Т. 438, №3. С. 390-395. 2011.
Сведения об авторах
Терещенко Евгений Дмитриевич - д.ф.-м.н., директор; e-mail: [email protected] Григорьев Валерий Федосеевич - помощник директора; e-mail: [email protected] Терещенко Павел Евгеньевич - к.ф.-м.н., старший научный сотрудник; e-mail: [email protected]
Юрик Роман Юрьевич - к.ф.-м.н., старший научный сотрудник; e-mail: [email protected]
Исследования проводились при поддержке Р И грант 13-05-12005-офи-м-2013.
ЛИТЕРАТУРА
